Wersja elektroniczna artykułu

ELEKTRYKA
Zeszyt 3 (219)
2011
Rok LVII
Jan ANUSZCZYK, Bogusław TERLECKI*
Instytut Elektroenergetyki, Politechnika Łódzka
*Elektrownia Wiatrowa Kamieńsk
OCENA PARAMETRÓW ELEKTRYCZNYCH WYTWARZANEJ
ENERGII WYBRANEJ ELEKTROWNI WIATROWEJ
Streszczenie. W pracy dokonano oceny parametrów elektrycznych produkowanej
energii na przykładzie jednej z najnowocześniejszych elektrowni wiatrowych w kraju –
Elektrowni Wiatrowej Kamieńsk. Badania obejmują wskaźniki jakościowe energii
opisane w normie PN-EN 50160. W wyniku przeprowadzonych pomiarów stwierdzono,
że parametry jakościowe produkowanej energii w złączu sieci elektrownianej 30 kV
z siecią publiczną 110 kV są zagwarantowane.
Słowa kluczowe: elektrownia wiatrowa, parametry jakościowe energii, punkt wspólnego połączenia
sieci, generator synchroniczny pierścieniowy, regulacja mocy biernej
PERFORMANCE EVALUATION OF ELECTRICAL ENERGY QUALITY
FOR A SELECTED WIND POWER PLANT
Summary. The electric energy quality assessment is based on the case of the
modern Kamiensk Wind Power Plant and takes into consideration the indices described in
PN-EN 50160 standard. Following the conducted measurements, it has been note that the
parameters of electric energy quality in the Common Connection Point (CCP) of the
power plant electric network 30 kV with the public power system 110 kV are guaranteed.
Keywords: wind power plant, energy quality parameters, common connection point, ring synchronous
generator, reactive power regulation
1. CHARAKTERYSTYKA ELEKTROWNI WIATROWEJ KAMIEŃSK
Wybrany do badań Park Wiatrowy Kamieńsk stanowi 15 elektrowni produkcji firmy
ENERCON o mocy 2 MW każda – typ E-70 E4, o łącznej mocy 30 MW. Elektrownie
wiatrowe są połączone wewnętrznymi energetycznymi liniami kablowymi o napięciu 30 kV
i są podzielone na dwie grupy: I grupę stanowi 7 turbin wiatrowych, natomiast II grupę – 8
turbin, rysunek 1.
98
J. Anuszczyk, B. Terlecki
Rys. 1. Schemat połączeń Elektrowni Wiatrowej Kamieńsk [2]
Fig. 1. Connection diagram of the Kamiensk Wind Power Plant [2]
Moc nominalna pojedynczej elektrowni typu E-70 E4 wynosi od 2000 kW do 2300 kW
(z możliwością jej redukcji). Prędkość wiatru załączająca wynosi 2,5 m/s, natomiast prędkość
wyłączająca (24–34) m/s przy prędkości znamionowej 13,5 m/s. Każda z elektrowni
wiatrowych jest wyposażona w tzw. generator synchroniczny pierścieniowy wzbudzany
prądem stałym, o zmiennej liczbie obrotów w granicach (8–21,5) obr/min. Część obracająca
się generatora (wirnik oraz 3 łopaty o średnicy obrysu 71m) stanowi konstrukcję bez
przekładni głównej. Zwiększa to sprawność ogólną układu i powoduje redukcję emisji hałasu.
Elektrownia wiatrowa posiada aktywne śledzenie kierunku wiatru. Elektrownia nie jest
przyłączona do rozdzielni Ogólnej Sieci Dystrybucyjnej (OSD) i nie obejmują ją ARNE
(Automatyczna Regulacja Napięcia Elektrowni) oraz ARST (Automatyczna Regulacja Stacji
Transformatorowej). Warunki sieciowe w obszarze pracy EWK należy uznać za sztywne
o dużej wartości mocy zwarciowej, które są wymuszone przez bliskie sąsiedztwo elektrowni
konwencjonalnej wyposażonej w generatory synchroniczne GTHW – 12 bloków 400 MW,
(PGE Energetyka Konwencjonalna Oddział Elektrownia Bełchatów) [1].
2. PARAMETRY JAKOŚCIOWE WYTWARZANEJ ENERGII
Wybrany do badań obiekt – elektrownia EWK należy do nowych źródeł mocy
w systemie elektroenergetycznym, który został bogato wyposażony w układy regulacji,
będące jednocześnie źródłami pewnych zakłóceń (wprowadzanie do sieci harmonicznych
prądów i napięć). Jest to zarazem obiekt wrażliwy na zakłócenia pochodzące z systemu
Ocena parametrów elektrycznych…
99
elektroenergetycznego (przepięcia, zapady napięcia, odkształcenia napięcia zasilającego).
Praca elektrowni wiatrowej w funkcji prędkości wiatru charakteryzuje się wahaniami mocy
czynnej, co ma istotny wpływ na jakość generowanej i dostarczanej do sieci energii
elektrycznej. Przedstawione w pracy wyniki dotyczą pomiarów wykonanych w okresie
tygodniowym od 6 lipca 2011 roku do 13 lipca 2011 roku. Przeprowadzona ocena obejmuje:
 Badania jakości energii elektrycznej w sieci 30 kV;
 Badania jakości energii elektrycznej w sieci 110 kV;
 Badania jakości energii w turbinie wiatrowej nr 7;
 Badania jakości energii w turbinie nr 11 wyposażonej w kompensator mocy biernej
STATCOM.
Analizatory jakości energii elektrycznej typu Topas 1000, Memobox 800 oraz FLUKE
1760, które były wykorzystywane w pomiarach, umożliwiają ocenę jakości energii
elektrycznej, zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 50160. Zgodnie z wymaganiami
obowiązujących standardów, jakość energii elektrycznej jest określana poprzez
charakterystyczne parametry napięcia zasilającego w punkcie wspólnego połączenia (inaczej
złączu PWP), instalacji odbiorcy do sieci publicznej [3], [4]. Parametry te są definiowane
następująco:

zmiana napięcia:
U
U L %  L 100%
Uc
(1)
gdzie:
Uc – napięcie deklarowane w złączu sieci elektroenergetycznej (dla sieci niskiego napięcia
równe napięciu znamionowemu 230 V),
UL – uśredniona w przedziale pomiarowym wartość skuteczna napięcia zasilającego.
Zmiany wartości skutecznej napięcia zasilającego w sieciach średniego napięcia oraz w sieci
110 kV powinny zawierać się w przedziale od 90% do 110% napięcia znamionowego.

współczynnik niesymetrii:
K 2U 
U 2s
100%
U1s
(2)
gdzie poszczególne symbole oznaczają:
U1s – uśredniona w przedziale pomiarowym wartość skuteczna składowej zgodnej napięcia
zasilającego,
U2s – uśredniona w przedziale pomiarowym wartość skuteczna składowej przeciwnej napięcia
zasilającego.
Dopuszczalna wartość współczynnika niesymetrii napięcia w sieciach średniego napięcia wynosi
2%, a w sieciach wysokiego napięcia 1% .
100
J. Anuszczyk, B. Terlecki

względna wartość h-tej harmonicznej:
U
U h%  h 100%
Uc
(3)
gdzie poszczególne symbole oznaczają:
Uc – napięcie deklarowane w złączu sieci elektroenergetycznej (dla sieci niskiego napięcia
równe napięciu znamionowemu 230 V),
Uh – uśredniona w przedziale pomiarowym wartość skuteczna napięcia h-tej harmonicznej
(h = 1, ..., 40).

współczynnik odkształcenia:
40
THD% 
U h2
h2
U1
100%
(4)
gdzie poszczególne symbole oznaczają:
THD – współczynnik odkształcenia harmonicznymi napięcia zasilającego,
Uh – wartość względną napięcia w procentach składowej podstawowej,
U1 – uśredniona w przedziale pomiarowym wartość skuteczna harmonicznej podstawowej
napięcia zasilającego,
h – rząd wyższej harmonicznej.
Dopuszczalna wartość współczynnika odkształcenia w sieciach średniego i niskiego
napięcia wynosi 8%, zaś w sieciach wysokiego napięcia 3%.

wskaźnik długookresowego migotania światła:
12
Plt 
3
 Pst3i
i 1
12
(5)
gdzie:
Plt – wskaźnik długookresowego migotania światła,
Pst – wskaźnik krótkookresowego migotania światła (wartość krótkookresowego wskaźnika
migotania światła uśredniona w przedziale pomiarowym).
Dopuszczalna wartość wskaźnika długookresowego migotania światła w sieciach średniego
i niskiego napięcia wynosi 1, zaś w sieciach wysokiego napięcia 0,8 [3].
Dopuszczalne względne wartości wyższych harmonicznych napięcia dla sieci niskiego
i średniego napięcia podano w tabeli 1, zaś dla sieci wysokiego napięcia w tabeli 2.
Ocena parametrów elektrycznych…
101
Tabela 1
Wartości dopuszczalne wyższych harmonicznych napięcia w złączu sieci
elektroenergetycznej średniego i niskiego napięcia [3]
Harmoniczne nieparzyste
niebędące krotnością 3
rząd h
Uh% [%]
5
6,0
7
5,0
11
3,5
13
3,0
17
2,0
19
1,5
23
1,5
25
1,5
Harmoniczne parzyste
będące krotnością 3
rząd h
Uh% [%]
3
5,0
9
1,5
15
0,5
>21
0,5
rząd h
2
4
>4
Uh% [%] [%]
2,0
1,0
0,5
Tabela 2
Wartości dopuszczalne wyższych harmonicznych napięcia w złączu sieci
elektroenergetycznej wysokiego napięcia [3]
Harmoniczne nieparzyste
niebędące krotnością 3
Harmoniczne parzyste
będące krotnością 3
rząd h
Uh% [%]
rząd h
Uh% [%]
5
2,0
3
2,0
2
Uh% [%]
1,5
7
2,0
9
1,0
4
1,0
11
1,5
15
0,5
>4
0,5
13
1,0
>21
0,5
17
1,0
19
1,5
23
0,7
25
0,7
>25
0, 2  0, 5
rząd h
25
h
3. WYNIKI BADAŃ
Graficzną ocenę wyników pomiarów jakości energii w sieciach 30 kV oraz 110 kV na tle
obowiązujących wymagań objętych normą [3] przedstawia rysunek 2. Linia pozioma
odpowiada wartościom granicznym dla każdego z parametrów napięcia. Kolorem
ciemnoszarym oznaczono słupki określające wartość maksymalną ze zbioru wartości danego
parametru. Kolorem jasnoszarym oznaczono słupki określające wartość parametru, który
102
J. Anuszczyk, B. Terlecki
w okresie pomiarowym nie przekroczył 95% wartości występujących w analizowanym
zbiorze. Zestawy parametrów opisane w języku angielskim oznaczają:

Variations – zmiany napięcia, Events Database – zapady napięcia i krótkie przerwy,
Harmonics – wyższe harmoniczne napięcia,

Flicker – wskaźnik długookresowego migotania światła, Unbalance – asymetria,
Sygnaling Voltage – napięcie sygnałowe związane z przesyłem informacji (nie było
mierzone).
Rys. 2. Graficzna ocena wyników pomiarów jakości energii w sieciach 110 kV i 30kV
Fig. 2. Graphical evaluation of measurements of energy quality in networks of 110 kV and 30kV
Ocena parametrów elektrycznych…
103
Z rysunku 2 wynika, że parametry napięcia zasilającego rozdzielnię 30/110 kV są zgodne
z wymogami określonymi w obowiązujących przepisach. Zaburzenia po zapadach napięcia,
które wystąpiły podczas badań po stronie sieci zasilającej zewnętrznej, spowodowały
pojawienia się większych wartości wskaźników krótkookresowego i długookresowego
migotania światła Pst i PIt. Na rysunkach 3 i 4 porównano wartości skuteczne wyższych
harmonicznych prądu wprowadzanych do sieci przez oba badane turbozespoły nr 7 oraz nr 11
(STATCOM) dla przykładowo wybranej fazy L3.
Wartości absolutne wyższych harmonicznych prądu w fazie L3
30.0
25.0
Ih [A]
20.0
15.0
10.0
5.0
wartość maksymalna
percentyl 0,95
0.0
2
5
8
11 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50
numer harmonicznej h
Rys. 3. Wartości skuteczne wyższych harmonicznych prądu fazy L3 turbozespołu nr 7 w okresie
pomiarowym
Fig. 3. The values of efficient harmonic current phase L3 of turbine No. 7 in the measurement period
Z przeprowadzonych badań wynika, że Elektrownia Wiatrowa Kamieńsk może być
potencjalnym źródłem mocy biernej, o wartości około 15 MVAr dostępnej z prawdopodobieństwem 95%, które może być wykorzystane w procesie regulacji napięcia w lokalnej
sieci 110 kV. W tym celu inwertory DC/AC w każdej turbinie wiatrowej powinny zostać
wyposażone w odpowiednie układy regulacji typu STATCOM. Na rysunkach 5 i 6 pokazano
porównanie pomierzonych maksymalnych wartości skutecznych wyższych harmonicznych
wyrażonych w procentach prądu znamionowego (IN = 2980 A) badanych turbozespołów nr 7 i
nr 11 z wartościami harmonicznych podanych w certyfikacie pomiarowym producenta
WINDTEST [5].
104
J. Anuszczyk, B. Terlecki
Wartości absolutne wyższych harmonicznych prądu w fazie L3
30.0
25.0
Ih [A]
20.0
15.0
10.0
5.0
wartość maksymalna
percentyl 0,95
0.0
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
numer harmonicznej h
Rys. 4. Wartości skuteczne wyższych harmonicznych prądu fazy L3 turbozespołu nr 11 w okresie
pomiarowym
Fig. 4. The values of efficient harmonic current phase L3 of turbine No. 11 in the measurement period
Wartości względne wyższych harmonicznych prądu w fazie L3
1.0
0.9
0.8
Ih/IN [%]
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Windtest
Pomiary
0.0
2
5
8
11
14
17
20 23 26 29 32
numer harmonicznej h
35
38
41
44
47
50
Rys. 5. Porównanie zmierzonych maksymalnych wartości wyższych harmonicznych prądu z wartościami podanymi w certyfikacie WINDTEST [5] dla prądu turbozespołu nr 7
Fig. 5. Comparison of the measured maximum values of harmonic current with the values given in the
certificate WINDTEST [5] for the power turbine No. 7
Ocena parametrów elektrycznych…
105
Wartości względne wyższych harmonicznych prądu w fazie L3
1.0
0.9
0.8
Ih/IN [%]
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Windtest
Pomiary
0.0
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
numer harmonicznej h
Rys. 6. Porównanie zmierzonych maksymalnych wartości wyższych harmonicznych prądu
z wartościami podanymi w certyfikacie WINDTEST [5] dla prądu turbozespołu nr 11
Fig. 6. Comparison of the measured maximum values of harmonic current with the values given in
the certificate WINDTEST [5] for the power turbine No. 11
4. PODSUMOWANIE
Wartości parametrów charakteryzujących jakość energii elektrycznej w punkcie
wspólnego połączenia (PWP) sieci 110 kV elektrowni z siecią energetyki zawodowej
spełniają wymagania określone w obowiązujących przepisach.
Na pracę Elektrowni Wiatrowej Kamieńsk mają wpływ zakłócenia (np. zwarcia lub
czynności łączeniowe), powstające w sieciach nadrzędnych energetyki zawodowej
powodujące zaburzenia w postaci np. zapadów napięcia obserwowanych w sieci 30 kV
elektrowni lub wzrostu wartości wskaźników migotania światła.
Z wykresów pokazanych na rysunkach 5 i 6 wynika duża zgodność spektrum
częstotliwościowego zmierzonych wyższych harmonicznych z danymi podanymi w raporcie
WINDTEST. Pomierzone wartości wyższych harmonicznych są w większości przypadków
mniejsze od wartości tam podanych. Jednocześnie należy stwierdzić, że w widmie
częstotliwościowym prądów zarejestrowano znaczne wartości harmonicznych rzędów 41
(turbozespół nr 11) oraz 42 i 43 (turbozespół nr 7), których nie podaje wspomniany raport.
Harmoniczne te są wynikiem sposobu sterowania inwertorami turbozespołów wiatrowych, dla
których częstotliwość przełączania tranzystorów IGBT wynosi ponad 2 kHz.
106
J. Anuszczyk, B. Terlecki
BIBLIOGRAFIA
1. Anuszczyk J.: Maszyny elektryczne w energetyce. Zagadnienia wybrane. Wydawnictwa
WNT, Warszawa 2005.
2. Terlecki B., Gawdzik M.: Elektrownia wiatrowa Kamieńsk – technologia, historia
budowy, eksploatacja. „Wiadomości Elektrotechniczne” 2006, nr 3.
3. Norma PN-EN 50160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach
elektroenergetycznych. PKN, 2010.
4. Norma PN-EN 61400-21: Turbozespoły wiatrowe. Część 21: Pomiar i ocena parametrów
jakości energii dostarczanej przez turbozespoły przyłączane do sieci elektroenergetycznej.
PKN, 2009.
5. WINDTEST - Materiał źródłowy firmy Enercon. Report No.WT4865/06.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Marian Pasko
Wpłynęło do Redakcji dnia 10 listopada 2011 r.
_______________________________________
Prof. dr hab. inż. Jan ANUSZCZYK
Politechnika Łódzka; Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki
Instytut Elektroenergetyki
ul. B. Stefanowskiego 18/22, 90-924 ŁÓDŹ
tel.: (042) 631-25-90, (042) 636-11-93,e-mail: [email protected]
Mgr inż. Bogusław TERLECKI
Elektrownia Wiatrowa Kamieńsk
Wieluńska 50/25, 97-360 KAMIEŃSK
tel. (044) 7352626, e-mail: [email protected]